Fuzja we Wszechświecie: źródło energii Słońca Understand article
Tłumaczenie Helena Howaniec. Mark Tiele Westra z European Fusion Development Agreement (EFDA) z Garching, Niemcy, wyjaśnia procesy wewnątrz Słońca, które są źródłem energii na Ziemi.
Jeszcze sto lat temu nikt nie miał pojęcia, w jaki sposób Słońce wytwarza i wysyła w przestrzeń kosmiczną ogromne ilości energii. Oczywiście, były różne wyjaśnienia; niektóre z nich bardzo mądre. Byli tacy naukowcy, którzy uważali, że Słońce to wielka chmura gazu, zapadająca się pod wpływem własnej grawitacji. Wytwarzające się przy tym tarcie i liczne zderzenia powodują ogrzewanie się tego gazu. Inni uważali, że Słońce nie miało czasu się ochłodzić od momentu powstania. Oba powyższe wyjaśnienia dochodziły do tego samego wniosku: Słońce nie może mieć więcej niż kilkadziesiąt milionów lat. Gdyby było starsze już byłoby zimne.
Jednak Darwin wraz ze swoimi kolegami, analizując erozję skał oraz powolną ewolucję życia na Ziemi, stwierdzili, że Słońce musi mieć co najmniej kilkaset milionów a może nawet dn lat aby to miało sens.
Wyjaśnienie było możliwe po odkryciu zjawiska radioaktywności oraz przełomowego równania Einsteina E=mc2, o równoważności masy i energii. Brytyjski astronom, Sir Arthur Eddington, jako pierwszy przeanalizował nowe odkrycia i wysunął śmiałą hipotezę, że reakcją odpowiedzialną za wytwarzanie ogromnej ilości energii w Słońcu jest reakcja termojądrowa, czyli kreowanie cięższych pierwiastków poprzez fuzję lżejszych. W międzyczasie świat naukowy dowiedział się, że Słońce rzeczywiście spala wodór, najlżejszy gaz w kosmosie, i zamienia go w hel. Nawet wiadomo było, w jaki sposób to robi – popatrz na ilustrację poniżej.
Ilustracja dzięki uprzejmości Marka Tiele Westra
Przebieg tego procesu jest bardzo ciekawy. Najpierw, jądro wodoru (proton) musi czekać wewnątrz Słońca średnio pięć miliardów lat zanim ‘zdecyduje się’ połączyć z drugim jądrem wodoru i utworzyć jądro deuteru. To jest w zasadzie dobra informacja dla nas: gdyby ta reakcja zachodziła szybciej, to Słońce dawno by już wyczerpało swoje zasoby energii i nie byłoby nas teraz na Ziemi. Drugi etap, w którym produkowane jest jądro helu-3, z jąder deuteru i wodoru zachodzi średnio po 1.4 sekundy. Końcowy etap, produkcja helu-4 trwa 240 000 lat. Energia otrzymywana w reakcjach termojądrowych, uwalniana jest w postaci fotonów czyli światła.
Mamy więc fotony światła, które kiedyś dosięgną Ziemi; bądźmy jednak cierpliwi. Fotony wyruszają w swoją podróż na Ziemię z prędkością światła, lecz prawie natychmiast natrafiają na elektrony, które rozpraszają je w dowolnym, przypadkowym kierunku. Ten proces rozpraszania na elektronach powtarza się wielokrotnie. Foton średnio potrzebuje 20000 lat aby pokonać 695000 km, czyli odległość od centrum Słońca do jego powierzchni-co oznacza, że jego prędkość w linii prostej wynosi 4 metry na 1 godzinę.
Po długiej i chaotycznej podróży wewnątrz Słońca, foton pokonuje pozostałe 149 mln km, od powierzchni Słońca do powierzchni Ziemi, ze swoją zwykłą prędkością (prędkością światła) i po 8 minutach dociera do Ziemi. Są to fotony, którym się poszczęściło. Istnieją w Słońcu fotony, które zostały utworzone 5 miliardów lat temu, lecz poruszając się w jego wnętrzu jak w labiryncie nie mogą do tej pory opuścić go.
W procesie fuzji powstają jeszcze inne dziwne cząstki elementarne: neutrina (ilustracja). Neutrino prawie w ogóle nie oddziałuje z materią i dlatego może natychmiast opuścić Słońce. Słońce wytwarza ogromne ilości neutrin: w każdej sekundzie 100 miliardów neutrin pochodzenia słonecznego przechodzi przez koniuszek twojego palca. Większość neutrin przelatuje przez Ziemię bez najmniejszego problemu. Rzeczywiście, neutrino potrafi przejść przez warstwę ołowiu, o szerokości 1 roku świetlnego bez napotkania przeszkody.
My wyobrażamy sobie centrum Słońca jako gorącą lawę, wyrzucającą ogromne ilości energii cieplnej na zewnątrz. Na nasze standardy – gęstość 150 razy większa niż woda (pół litra Słońca waży tyle, co przeciętny człowiek), temperatura 15 000 000 stopni C – jest to porażające środowisko. Jednak, jeśli weźmiemy 1 metr sześcienny materii z centrum Słońca, to jej moc wynosi zaledwie 30 wat – ledwie wystarczy na zapalenie 1 żarówki. To przede wszystkim, ogromne rozmiary Słońca, decydują o tym, że mamy ciepło na Ziemi.
W chwili obecnej, Słońce spala 600 mln ton wodoru w każdej sekundzie, przekształcając go w 596 mln ton helu. Gdzie się podziało brakujące 4 miliony ton? Zostało całkowicie przekształcone w energię. Stosując równanie E=mc2 ( gdzie E oznacza energię, m masę i c prędkość światła w próżni ), obliczamy wartość energii odpowiadającej masie 4 milionów ton. Jest ona równa 100 000 000 000 000 000 000 kwh – czyli około milion razy więcej niż cały świat zużywa w ciągu 1 roku. To jest energia uwalniana przez Słońce w jednej sekundzie. Oto potężna moc Słońca!
Do tej pory Słońce zużyło już połowę swoich zasobów wodoru. Spalało wodór przez 5 miliardów lat i będzie jeszcze spalać przez następne 5 miliardów lat. Co potem? Potem bal się skończy. Słońce ‘spuchnie’, stanie się czerwonym olbrzymem, powodując wyparowanie atmosfery i wody na naszej planecie. Zniknie życie na Ziemi. Lepiej uciekajmy stąd, zanim to nastąpi. Póki co, cieszmy się tym co mamy teraz.
Odkrycie helu
W 17 wieku, naukowcy analizowali spectrum światła po przejściu przez wąską szczelinę i przez pryzmat. Wiadomo już było, po eksperymentach ze świecącymi gazami, że pierwiastki po podgrzaniu wysyłają selektywnie, dokładnie określone kolory światła, widoczne jako jasne prążki (lampa neonowa).
Obserwując widmo Słońca, zauważyli ciemne prążki dokładnie w miejscach, gdzie pojawiały się jasne prążki dla świecących gazów. Naukowcy uświadomili sobie, że ciemne prążki muszą pochodzić od tych samych pierwiastków, które zamiast emitować światło, absorbują je. W ten sposób, poprzez dokładną analizę światła wysyłanego przez Słońce, może być analizowany jego skład chemiczny.
Większa część widma była dobrze znana, gdyż należała do pierwiastków, które znajdowały się również na Ziemi, lecz niektóre prążki naukowcy nie potrafili wyjaśnić. W 1868 roku, brytyjski astronom, Norman Lockyer, założył, że ciemne prążki pochodzą od nieznanego na Ziemi pierwiastka, który nazwał helem, od greckiego boga Słońca Heliosa. Dopiero 25 lat później, hel został po raz pierwszy wyodrębniony na Ziemi.
Resources
- Warrick C (2006) Fuzja czyli synteza jądrowa – as w rękawie energetyki? Science in School 1.
Institutions
Review
W erze, kiedy źródła energii nieodnawialnej znikają w szybkim tempie i gorączkowo poszukuje się innych, odnawialnych źródeł energii, fuzja jądrowa jest często przedmiotem dyskusji w literaturze naukowej. Uczniowie, od wczesnych lat szkolnych mają możliwość zaznajomienia się z tym zagadnieniem, chociaż z początku mogą wszystkiego nie rozumieć.
Mark Tiele Westra z the European Fusion Development Agreement w Garching, Niemcy, przedstawia w sposób bardzo interesujący i zwięzły proces fuzji jądrowej, jaki przebiega wewnątrz Słońca. Czysto teoretyczne rozważania poparte są bardzo pomocną ilustracją. Materiały te mogą być bardzo przydatne nauczycielom fizyki do przeprowadzenia lekcji w szkołach zarówno dla mniej zaawansowanej młodzieży (gimnazjum – przypis tłumacza) jak i bardziej zaawansowanej (liceum – przypis tłumacza). Dla bardziej zainteresowanych, zamieszczona jest ciekawa informacja na temat odkrycia helu.
Elton Micallef, Malta